El Mundo de la Electrónica 6

TV
TV
AUDIO
AUDIO
VIDEO
VIDEO
MICROPROCESADORES
MICROPROCESADORES
Fundamentos Físicos
Físicos de
de lala Reproducción
Reproducción del
del Sonido
Sonido
Fundamentos
Enciclopedia
V isual
de la
Electrónica
INDICE DEL
CAPITULO 6
LAS ONDAS ELECTROMAGNETICAS
La naturaleza de las ondas
electromagnéticas .......................................83
Polarización.....................................................84
Frecuencia y longitud de onda...................84
El espectro electromagnético y las
ondas de radio...............................................85
Espectro electromagnético..........................85
EL TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR
AMPLIFICADORES CON TRANSISTORES
Configuraciones circuitales básicas............87
El amplificador base común ........................87
El amplificador emisor común......................87
El amplificador colector común ..................90
Recta estática de carga ..............................91
Recta dinámica de carga ...........................92
Cálculo de los capacitores de paso ..........92
Acoplamientos interetapas ..........................93
a) Acoplamiento RC..................................93
b) Acoplamiento a transformador...........93
c) Acoplamiento directo...........................94
FUNDAMENTOS FISICOS DE LA
REPRODUCCION DEL SONIDO
Propagación de las
vibraciones u ondas ......................................94
La onda de sonido ........................................95
Características físicas ....................................95
Frecuencia o tono......................................95
Amplitud ......................................................95
Intensidad....................................................95
Timbre...........................................................95
Velocidad del sonido ...................................96
Reproducción del sonido .............................96
Tipos de reproductores acústicos ...............96
Capítulo 6
Capítulo 6
Las Ondas Electromagnéticas
L
as ondas electromagnétiFig. 1
cas fueron previstas antes
de ser descubiertas. En
verdad, las ecuaciones de
Maxwell que describían los
campos magnéticos preveían también la existencia
de radiaciones, de la misma
naturaleza que la luz, y que se
propagaban en el espacio
con una velocidad de
Fig. 2
300.000 kilómetros por segundo.
Las ecuaciones de Maxwell fueron presentadas en
1865, pero solamente en 1887
Hertz consiguió comprobar la
existencia de "ondas electromagnéticas" según las ya previstas y las produjo en su laboDel mismo modo, estudiamos
ratorio.
No nos preocuparemos tanto del otro tipo de influencia causado por
aspecto histórico del descubrimien- cargas en movimiento, o sea, por las
to, como del estudio de su naturale- corrientes eléctricas, que difería muza, pero también añadiremos algu- cho del campo eléctrico, y que fue
nos datos importantes del pasado denominado "campo magn tico".
También representábamos el
relacionados con la investigación y
campo magnético por medio de lísu utilización.
neas de fuerza pero de una forma
bien diferente: las líneas eran concéntricas, envolviendo la trayectoria
LA NATURALEZA DE LAS
de las cargas (figura 2).
ONDAS ELECTROMAGN TICAS
El tipo de influencia para los dos
Una carga eléctrica, o un cuer- campos también se diferencia: el
po cargado, es responsable por una campo eléctrico actúa sobre cualperturbación en el espacio que lo quier cuerpo cargado, atraen o rerodea y que denominamos "campo pelen conforme a la polaridad,
el ctrico", como muestra la figura 1. mientras que el campo magnético
Vimos que podríamos represen- actúa sobre determinados materiatar esta "influencia; por medio de lí- les, independientemente de su carneas imaginarias, denominadas lí- ga, atraen (materiales ferrosos) o reneas de fuerza. (El uso de las líneas pelen (materiales diamagnéticos).
¿Qué ocurriría con una carga
de fuerza fue propuesto por Faraeléctrica que, al mismo tiempo, puday).
Las líneas de fuerza realmente no diera producir un campo eléctrico y
existen, pero pueden ayudar a eva- un campo magnético?
Para explicar este fenómeno imluar el comportamiento de la "influencia" de la carga en el espacio. portante, vamos a imaginar una
La influencia es mayor en los puntos carga eléctrica que pueda entrar
en que las líneas son más concentra- en vibración alrededor de un punto,
o sea que pueda "oscilar" como
das.
muestra la figura 3.
Partiendo entonces
de una posición inicial
en que la misma se encuentre detenida, sólo
existe campo eléctrico a
su alrededor, como
muestra la figura 4.
El campo magnético
es nulo, pues la carga se
encuentra en reposo. El
campo eléctrico, a su
vez, es máximo.
A medida que la carga se desplaza hacia la
posición central, el campo eléctrico se reduce,
mientras que el campo
magnético aumenta. En
el medio de la trayectoria, cuando la velocidad es máxima,
el campo magnético también es
máximo, mientras que el campo
eléctrico se reduce a cero (mínimo,
figura 5).
En dirección al otro extremo de
la trayectoria, la velocidad se reduce gradualmente, con lo que se reduce también el campo magnético. El campo eléctrico vuelve a aumentar de intensidad (figura 6).
Fig. 3
Fig. 4
83
Las Ondas Electromagnéticas
Fig. 5
Fig. 7
El resultado de este
fenómeno es
la producción de una
perturbación
única que se
propaga por
el espacio
con velocidad finita.
Vea que
existe
un
tiempo
determinado
de
Fig. 6
contracción de las líneas de fuerza
tanto del campo eléctrico como del
magnético, así como para la expansión.
Así, independientemente de la
velocidad con que la carga oscile,
o sea, de su frecuencia, la velocidad con que la perturbación se propaga es bien definida y constante.
Se puede demostrar que esta
perturbación se propaga en el vacío a una velocidad de 2,997793 x
1010 centímetros por segundo, o, redondeando hacia arriba, ¡300.000 kilómetros por segundo!
el campo magnético varía según el
eje H, también como semiciclos positivos y negativos.
Cuando deseamos recibir una
onda electromagnética, lo que tenemos que hacer es interceptarla
de modo de tener una corriente en
un conductor que pueda ser amplificada y trabajada por circuitos especiales. Esto se hace, por ejemplo,
mediante una antena que no es
más que un alambre conductor colocado en el camino de la onda (figura 10).
Para que ocurra la inducción de
una corriente en esta antena, la misma debe ser colocada de determinada forma. Si los lectores observaran las antenas de televisión de su
localidad, podrán tener una idea de
la necesidad de esta colocación.
¿Por qué las antenas no se ponen en posición tal que las varillas
estén en forma vertical como muestra la figura (B) 11, y sí como en (A) figura 11?
¡Esto ocurre porque la polarización de las ondas se hace horizonEsta perturbaci n da origen a lo talmente, no verticalmente!
que denominamos "onda electromagn tica".
FRECUENCIA Y LONGITUD DE ONDA
Polarizaci n
Fig. 8
Cuando la carga llega al extremo de la trayectoria, por algunos
instantes se detiene para invertir el
movimiento. En este instante, el
campo eléctrico nuevamente es
máximo y el campo magnético se
reduce a cero (figura 7).
En la inversión del movimiento,
tenemos nuevamente el crecimiento de la intensidad del campo magnético hasta el medio de la trayectoria y la reducción al mínimo del
campo eléctrico y después, hasta el
extremo, el aumento del campo
eléctrico y la disminución del campo magnético. Vea entonces que,
en esta "oscilaci n", el campo magnético y el eléctrico se alternan (figura 8).
Hay un desfasaje de 90 grados
entre los dos campos.
84
Para representar una onda electromagnética precisamos tener en
cuenta tanto su componente eléctrica como magnética, pues, como
vimos, la misma corresponde a una
"alternancia" entre los dos campos.
Para esta finalidad, hacemos uso
de la representación mostrada en la
figura 9. El campo eléctrico varía según el eje E con semiciclos tanto positivos como negativos, mientras que
Para una corriente alterna, la frecuencia se define como el número
Fig. 10
Fig. 9
Capítulo 6
EL ESPECTRO ELECTROMAGN TICO
ONDAS DE RADIO
Fig. 11
Y LAS
Fig. 12
Fig. 13
Tomemos como ejemplo una radiación electromagnética cuya frecuencia sea de 1MHz, o sea,
1.000.000Hz.
En un segundo, partiendo de la
fuente emisora, o sea, las cargas
que oscilan, las ondas recorren un
espacio de 300.000 kilómetros, pues
ésta es su velocidad, como muestra
la figura 12. Podemos percibir entonces que las ondas individualmente,
o cada oscilación divide el “espacio” de 300.000 kilómetros o
300.000.000 metros. Cada onda, entonces, "se quedará" con un espacio
de 300 metros, o sea, tendrá una
"longitud" que equivale a 300 metros
(figura 13).
Para las ondas electromagnéticas es común expresar su naturaleza
tanto por la frecuencia como por su
longitud de onda. Hablar de una radiación de 1 MHz es, pues, lo mismo
que hablar de una radiación de 300
metros. Podemos fácilmente calcular la longitud de onda de cualquier
radiación, conocida su frecuencia
por la fórmula:
de veces en que ocurre la inversión
de su sentido de circulación. La frecuencia es numéricamente igual a
este valor y es dada en hertz, cuya
abreviatura es Hz. En el caso de una
onda electromagnética, su frecuencia es dada por el número de vibraciones por segundo de la carga (o
cargas) que la producen, siendo numéricamente igual a este valor y
también medida en hertz.
Si una onda electromagnética
fuera producida por una carga que
vibra a razón de 1.000.000 de veces
por segundo, la frecuencia de esta
radiación será de 1MHz.
El espectro electromagnético es
el conjunto de frecuencias en que
puede haber radiaciones electromagnéticas y es muy extenso, se
v=Lxf
(2)
analizará más adelante. Para una
determinada radiación electromagDonde: v es la velocidad de pronética, además de la frecuencia, pagación (300.000.000 m/s); L es la
podemos definir otra magnitud, que longitud de onda en metros; f es la
es la longitud de onda.
frecuencia en Hertz.
¿Cuáles son las frecuencias que
dan origen a las ondas electromagnéticas?
¿Qué tipo de naturaleza tiene
cada radiación en función de su frecuencia?
Si distribuimos las ondas electromagnéticas de acuerdo con su frecuencia o longitud de onda, veremos que, para cada sector de esta
distribución, tendremos comportamientos diferentes. Las radiaciones
de longitudes de ondas menores tienen comportamientos bien diferentes de las de mayores longitudes. Su
propia utilización es distinta.
Llamamos espectro a la distribución de las diversas frecuencias de
radiaciones electromagnéticas, y en
el caso es un espectro continuo,
pues no existen saltos entre los valores que las mismas pueden asumir.
El espectro de las radiaciones
electromagnéticas, en verdad, se
extiende de 0 a infinito, ¡ya que se
conocen fuentes que emiten "señales" de frecuencias tan elevadas como 1023Hertz, o sea 1 seguido de 23
ceros!
Vamos al análisis del espectro:
Espectro electromagn tico
Frecuencia: 0 a 20kHz
Denominación: ondas eléctricas
acústicas
La longitud de onda varía entre el
infinito y 15.000 metros. En verdad, estas
ondas no tienen mucha "penetración"
en el espacio, siendo usadas para la
transmisión de energía por cable, o en
la producción de sonidos.
Frecuencia: 20kHz a 30kHz
Denominación: VLF (Very Low Frequency = frecuencia muy baja)
Las ondas electromagnéticas de esta banda, de 15.000 a 10.000 metros,
pueden ser usadas en los servicios de
telecomunicaciones a larga distancia,
pues siendo muy estables, no están influenciadas por la hora del día ni por las
estaciones del año.
Vea el lector que el Sol es un "enemigo" de las ondas electromagnéticas,
pues la radiación que él emite también
puede influenciar su propagación y dificultar el uso de determinados tipos de
ondas de radio, como ésta, en mayor o
menor intensidad.
85
Las Ondas Electromagnéticas
Frecuencia: 30kHz a 300kHz
Denominación: LF (Low Frequency =
baja frecuencia)
Pueden ser usadas en servicios de
radiocomunicaciones de larga distancia, como por ejemplo en comunicación naval, o incluso para ayudar en
navegación al orientar naves y aviones.
Estas ondas ya son más afectadas en su
propagación que las de la banda anterior, pues, según la hora del día y la estación del año, pueden ocurrir pequeñas atenuaciones.
Frecuencia: 300kHz a 3.000kHz
Denominación: MF (Medium Frequency = frecuencia media)
Las ondas de esta banda, que son
ondas de radio, tienen longitudes entre
1.000 y 100 metros, pudiendo ser usadas
en diversos tipos de servicios de comunicación, como por ejemplo, la propia radiodifusión (AM), comunicaciones entre
aeronaves, barcos, policía, etc. Estas radiaciones son influenciadas por la hora
del día: su alcance es mayor durante la
noche y menor durante el día. Igualmente, en invierno la atenuación es menor que en verano.
Frecuencia: 3.000 kHz a 30 MHz
Denominación: HF (High Frequency
= alta frecuencia)
También tenemos aquí ondas de radio cuya longitud de onda estará entre
100 metros y 10 metros. Estas ondas
pueden usarse en comunicaciones de
larga distancia, en determinados horarios del día y en dependencia de las estaciones del año.
Lo que ocurre es que estas ondas
pueden ser reflejadas por las capas altas de la atmósfera (la ionosfera), así
vencen el problema de la curvatura de
la Tierra. Las ondas de esta banda son
utilizadas por las estaciones de radiodifusión, radioaficionados, y servicios diversos de comunicación a distancias
largas y medianas.
Frecuencia: 30MHz a 300MHz
Denominación: VHF (Very High Frequency = frecuencia muy alta)
Son también ondas de radio cuya
longitud de onda estará entre 10 metros
y 1 metro. Estas ondas se propagan en
línea recta, como las demás, pero son
influenciadas fuertemente por la presencia de obstáculos. Así, no podemos
usarlas en servicios que sobrepasen la línea visual o línea del horizonte. Las ondas de esta banda son usadas en servicios de radiodifusión (FM), televisión,
comunicaciones a distancias cortas y
medianas como por ejemplo policía,
aviación, etc.
86
Frecuencia: 300MHz a 3.000MHz
Denominación: UHF (Ultra High Frequency = frecuencia ultra alta)
Estas ondas de radio tienen longitudes de onda entre 1 metro y 10 centímetros. Son pues ondas muy cortas de
comportamiento semejante al VHF, con
la diferencia que son mucho más afectadas por obstáculos. Estas ondas son
usadas en TV, radar, comunicaciones a
distancia corta y mediana.
Frecuencia: 3GHz a 30.000MHz
Denominación: SHF (Super High Frequency = frecuencia super alta)
Estas ondas tienen longitud de onda entre la banda de 10 centímetros a
1 centímetro. Estamos en el dominio de
las llamadas microondas, usadas en servicios de comunicaciones en línea visual, radar, etc.
Las mismas no pueden sobrepasar
obstáculos, incluso de pequeño tamaño, son pues usadas en las comunicaciones visuales, o sea, en aquéllas en
que el transmisor prácticamente "ve" el
receptor.
diación muy importante para nosotros
que es la luz que podemos ver, o luz visible. Su longitud de onda está entre
4.000 Angstrons y 7.000 Angstrons. El color de la luz que percibimos está relacionada con su frecuencia, conforme a la
siguiente tabla aproximada:
Violeta - 4.000 a 4.500 Angstron
Azul - 4.500 a 5.000 Angstron
Verde - 5.000 a 5.700 Angstron
Amarillo - 5.700 a 5.900 Angstron
Anaranjado - 5.900 a 6.100 Angstron
Rojo - 6.100 a 7.000 Angstron
La particularidad más importante
de esta banda del espectro está, entonces, en el hecho de que poseemos
"sensores" sensibles capaces de percibir
las radiaciones, que son justamente
nuestros ojos.
Frecuencia: 3 x 1014 a 3 x 1017
Denominación: radiación ultravioleta o simplemente ultravioleta.
Tenemos aquí una penetrante forma
de radiación electromagnética del tipo
de la luz cuyas longitudes de onda están
entre 4.000 Angstron y 10-7 centímetros.
Este tipo de radiación es producida por
la vibración molecular y atómica y enFrecuencia: 30GHz a 300GHz
Denominación: Microondas
cuentra aplicaciones industriales de diNo hay realmente una sigla para las versos tipos.
ondas de radio en esta banda. Su longiFrecuencia: 3 x 1017 a 3 x 1020 Hz
tud está entre 1 mm y 10 mm y aquí el
Denominación: Rayos X
comportamiento de las radiaciones coTenemos aquí una forma muy penemienza a sufrir una transición. Podemos
agrupar las radiaciones de esta banda trante de radiación electromagnética
en ondas centimétricas, milimétricas, e que puede, por su longitud de onda
incluso submilimétricas. Su uso es el ra- muy pequeña, penetrar en los cuerpos
dar; las comunicaciones por microon- materiales de diversos tipos. Esta forma
das también son producidas por cuer- de radiación es usada en medicina y
pos calentados como las lámparas de en la industria de diversas formas.
vapor de mercurio. Se trata pues de ra- Cuanto menor es la longitud de onda
diación cuya naturaleza comienza a de los rayos X, mayor es su penetración.
estar próxima a la de la luz.
Frecuencia: 3 x 1020Hz a 3 x 1021Hz
Denominación: Rayos Gamma
Frecuencia: 300GHz (3 x 1011) a 3 x
1014Hz
Esta forma peligrosa de radiación
Denominación: Radiación infrarroja electromagnética es producida tanto
o simplemente infrarrojo. Ya tenemos por vibraciones atómicas y moleculares
aquí un tipo de radiación de comporta- como también por las reacciones numiento bastante semejante al de la luz cleares. Los rayos gamma tienen enorvisible. La radiación infrarroja es produ- me penetración, por lo que pueden
cida por cuerpos calientes. Cuando atravesar obstáculos de concreto o
acercamos la mano a un hierro calien- plomo de bastante espesor.
te, "sentimos" esta radiación a la distancia en forma de calor. Las longitudes de
Frecuencia: 3 x 1021 Hz y más
Denominación: rayos cósmicos
onda son medidas en esta banda en
Son partículas de increíble penetramicrones (µ), o millonésimas de metro, o
bien en otra unidad que es el Angston ción producidas por reacciones nu(Å) que equivale a 10-8 metros o a la mi- cleares o aceleración en campos magllonésima parte del milímetro.
néticos de particulas cargadas y pueden atravesar toda la masa de la Tierra
Frecuencia: 3 x 1014 Hz.
como si no existiera. Estas partículas son
Denominación: Luz visible
detectadas con dificultad, y felizmente
En este punto del espectro electro- llegan en poca cantidad a nuestro plamagnético tenemos una forma de ra- neta.
Capítulo 6
El Transistor como Amplificador
Amplificadores con Transistores
E
xisten distintas configuraciones y
existen varias formas de polarizar un transistor, cada una con
sus ventajas y desventajas.
Se dice que un amplificador de
audio es aquel que incrementa el nivel de una determinada señal que
posee una frecuencia comprendida
dentro del espectro audible (20Hz a
20kHz). Para el diseño de un amplificador interesan características tales
como la potencia de salida, impedancia de carga, impedancia de
entrada, nivel de la señal de entrada, tensión de alimentación, etc.
CONFIGURACIONES CIRCUITALES B
S I-
CAS
Básicamente, a un transistor se lo
puede utilizar en tres configuraciones distintas a saber:
a- Configuraci n Base Com n
b- Configuraci n Emisor Com n
c- Configuraci n Colector Com n
EL AMPLIFICADOR BASE CO M
N
Las principales características son:
• Baja impedancia de entrada
(entre 50 ohm y 300 ohm)
• Alta impedancia de salida (entre 100 kilohm y 1 Megohm).
• Posee alta ganancia de tensión.
• No posee ganancia de corriente.
• La señal de salida no está desfasada respecto de la de entrada.
Ic
α = ——— < 1
Ie
α es menor que la unidad pero se
asemeja a 1; varía entre 0,98 y 0,999,
pero lo que aquí importa es que la
ganancia de resistencia es muy
grande (aproximadamente Rs/Re =
1500) con lo cual la etapa posee
gran ganancia de tensión. Existe
una familia de curvas que caracterizan el funcionamiento de cada
transistor en la configuración base
común, y se llaman curvas características para conexión base común
(o base a tierra, o base a masa).
Muchas veces es cómodo trabajar con una sola batería y para ello
se polariza al transistor (figura 2). Los
resistores de base Rb y Ra dan a la
base una polarización positiva respecto de emisor a los fines de que la
juntura BE quede polarizada en directa mientras que el colector es positivo respecto del emisor. C1 es un
camino a masa para la señal alterna a los fines de obtener máxima señal sobre la resistencia de carga Rc.
La señal a la salida está en fase con
la señal de entrada, pues un aumento de la tensión de base provocará un incremento de la corriente
de colector y, a su vez, aumentará
la señal sobre Rc que es la carga
(salida) del circuito. Observe que C1
es un cortocircuito para corriente alterna; anula los resistores Ra y Rb ya
que no hay caída de tensión de señal alterna sobre éstos.
EL AMPLIFICADOR EMISOR CO M
En la figura 1 vemos el circuito de
un amplificador base común.
Si observamos el circuito, la polarización del emisor es tal que la juntura base-emisor queda en directa,
constituye así un circuito de muy baja resistencia de entrada (diodo en
directa) que oscila entre 50 y 300Ω,
mientras que el colector queda polarizado en inversa, lo que hace que
la salida tenga una resistencia elevada que oscila entre 100kΩ y 1MΩ.
La ganancia de corriente:
Fig. 1
fasada 180° respecto de la señal
aplicada a la entrada.
Tensi n de entrada = Tensi n Base-emisor
Tensi n de salida = Tensi n Colector-Emisor
Corriente de entrada = Corriente
de Base
Corriente de salida = Corriente de
Colector
Desarrollemos este tema analizando el circuito de un amplificador
emisor común (figura 3).
La resistencia de entrada varía
con la polarización, siendo un valor
normal 5.000Ω, aunque puede variar
entre 100Ω y 10.000Ω, según la polarización. La resistencia de salida es
moderada, es decir, unos 50.000Ω
según el transistor y su polarización.
Aquí la corrriente de colector se
controla con la corriente de base,
de aquí que con pequeñas variaciones de la corriente de base se obtengan grandes variaciones de la
corriente de colector, razón por la
cual, actuando como amplificador
de corrriente, se define lo que se llama factor β.
Fig. 2
N
En este tipo de circuito, la señal
de entrada se aplica entre base y
emisor del transistor. Aquí también la
polarización del transistor es tal que
el emisor queda polarizado en directa, condiciones imprescindibles para
que el transistor funcione como tal.
Se trata de un amplificador de
impedancia de entrada moderada,
no muy alta impedancia de salida,
posee ganancia de tensión y corriente y la señal de salida está des-
Fig. 3
87
Las Ondas Electromagnéticas
Ic
β = ———
Ib
la base. Para hacer el cálculo de Rb
se emplea la malla formada por
Vcc, Rb y la juntura BE del transistor
β = Ganancia de corriente del (figura 5).
transistor en la configuración emisor
Ejemplo
común
Si consideramos la Vbe = 0,6V y
Por lo dicho, en un amplificador
queremos
una corriente de base de
base común se utiliza el parámetro:
50µA con una Vcc = 6V, la Rb debe
Ic
ser de:
α = ——
Ie
6V - 0,6V
Rb = ————— = 108.000Ω
y aquí se usa:
50 x 10-6 A
Ic
Un valor comercial que se aseβ = ———
Ib
meje a este valor es 100kΩ: por lo
Pero la diferencia fundamental tanto, adoptamos una Rb = 100kΩ.
Es fácil notar que, pase lo que
es que este circuito (emisor común)
pase,
la Ib permanece constante
tiene ganancia de corriente y tamfrente
a
variaciones de temperatura
bién ganancia de tensión, por lo
o
por
cambios
de transistor pues pacual se puede tener una ganancia
ra
todos
los
transistores
Vbe = 0,6V
de potencia que puede llegar a
(Si)
o
Vbe
=
0,2V
(Ge)
aproximada10.000 veces (40dB), lo que lo hace
muy popular. Nótese que, si al apli- mente.
car una señal de entrada aumenta
Ic
β = ——
la tensión de base, aumentará la Ib,
Ib
lo que hará aumentar la Ic; si esto
ocurre, aumentará la caída de tenCon lo cual:
sión sobre RL y, por ley de Kirchhoff
Ic = β . Ib
(que veremos en la próxima lección), disminuirá la tensión colectorOcurre que todos los transistores
emisor (tensión de salida) pues:
“no” son iguales y su b puede variar
por cambios de temperatura (adeVcc = VRL + Vce
más de variar entre transistores), con
Como Vcc es constante, si au- lo cual, si es fundamental que Ic no
menta VRL deberá disminuir Vce. En varíe, tendría que cambiar el valor
síntesis, un aumento de la señal de de Rb cada vez que se cambia de
entrada provocará una disminución transistor, lo que complica el análisis.
(mayor) de la tensión de salida por
Esto hace que la polarización fija
lo cual hay una inversión de fase en- no sea la más adecuada, ya que es
tre entrada y salida, al revés de lo inestable frente a cambios de tranque ocurría en un circuito Base-Co- sistores y frente a variaciones de
mún. Aquí también es necesario, a temperatura, por lo que resulta imlos fines de simplificar la construc- posible mantener fija la corriente tíción del circuito, polarizar al transis- pica de colector.
tor con una sola batería o fuente de
Para solucionar en parte este
alimentación y para ello hay mu- problema, se utiliza la polarización
chas formas de hacerlo; una de automática que consiste en conecellas es la denominada polarización tar el resistor Rb entre base y colecfija, que consiste en colocar un resis- tor, que cumple la función de “sentor entre base y batería con el fin de sar” la tensión entre colector y base
polarizar la juntura base-emisor en para polarizar a ésta. Es decir, existe
directa (figura 4).
una realimentación desde el colecPara calcular el valor de la resis- tor hacia la base (realimentar signifitencia de base, basta con fijar un ca tomar una muestra de alguna
valor de corriente de base. Sabe- parte del circuito y enviarla a otra
mos que habrá además una caída parte del circuito con el fin de variar
de tensión sobre RL que no debe ser alguna característica del mismo). La
demasiado alta para que el colec- polarización automática, aunque
tor siga siendo positivo respecto de tiene la desventaja de disminuir la
88
Fig. 4
Fig. 5
Fig. 6
Fig. 7
ganancia del amplificador, mejora
algunas fallas de la polarización fija
(figura 6). Para calcular el valor de
Rb debemos saber cuál es el valor
de tensión que pretendemos que
exista en colector y cuál es la corriente que circulará por la base.
Analizando el circuito y aplicando Kirchhoff puede deducirse que:
Vce - Vbe
Rb = —————
Ib
Si se desea tener una tensión entre colector y emisor Vce = 4V con
una corriente de base de Ib = 50µA,
debemos colocar una Rb (figura 7),
que se calcula:
4V - 0,6V
Rb = ————— = 68.000Ω
50 x 10-6A
Capítulo 6
Casualmente, esta vez el valor valor de Ic.
calculado para Rb = 68kΩ coincide
Vcc - Vbe
con un valor comercial.
Ic = ———————
Rb
Para calcular la polarización de
Rc + ——
un circuito con polarización autoβ
11,4V
mática se debe recurrir al circuito de
Ic = ——————————
entrada (figura 8). Se deduce que:
22.000Ω
1200Ω + ————
Vcc = VRc + VRb + Vbe
300
Si consideramos que Ic es mucho
mayor que Ib se puede decir que:
VRc = Ic . Rc ;
VRb = Ib . Rb
Luego:
Vcc = Ic . Rc + Ib . Rb + Vbe
Reemplazando la relación:
Ic
Ic
Ib = —— Vcc = Ic . Rc + —— . Rb + Vbe
β
β
Si se trabaja matemáticamente,
se llega a:
Fig. 8
11,4V
Ic = ———————— = 8,95mA
1.200Ω + 73,3Ω
Se puede comprobar entonces
que una variación del 50% en el valor del b provoca en este caso una
variación inferior al 5% en la corriente del colector, lo que indica que ha
aumentado la estabilidad del circuito. En este circuito la realimentación
negativa también estará presente
para la señal alterna que deseamos
amplificar; es decir, existe una disminución en la ganancia del circuito,
pero la estabilidad lograda compensa ampliamente esta pequeña
desventaja ya que, con el precio
actual de los transistores, si necesitamos mayor ganancia, siempre podemos recurrir a más etapas en amplificación. Como vemos, logramos
estabilidad térmica bajando la ganancia del sistema.
Si consideramos despreciable la
corriente de base frente a la corriente de colector, podemos calcular la
tensión colector-emisor de la siguiente manera (figura 10):
Vcc - Vbe
Ic = ———————
(1)
Rb
Rc + ——
β
En la fórmula de cálculo de Ic se
ve que ahora el β no influye tanto
sobre el valor de la corriente de colector, razón por la cual no hay grandes variaciones de Ic con la temperatura o por cambios del transistor.
Aunque la variación de β sea
grande debido a que se cambió el
transistor o hubo una variación de
temperatura, el circuito no se verá
afectado, dado que Ic permanece
Vcc = VRc + Vce
casi constante.
Sea el caso ahora, del circuito
Como Ic >> Ib; trabajando matede la figura 9. Q es un transistor de silicio (Vbe = 0,6 V) que posee un β = máticamente:
200. Aplicando la fórmula (1), obteVce = Vcc - Ic . Rc
nemos:
Vcc - Vbe
Vce = Vcc - ————— . Rc
12V - 0,6V
Ic = ————————— =
Rb
22.000Ω
Rc + ——
————— + 1.200Ω
β
200
Aplicando esta fórmula al ejem12V - 0,6V
Ic = ————————— =
plo que hemos analizado, podremos
110Ω + 1.200Ω
conocer cuánto vale la tensión colector-emisor.
11,4V
Ic = ———— = 8,7mA
1310Ω
Vce = 12V - 8,7mA . 1,2kΩ =1,56V
Supongamos que hay una variaLa baja tensión Vce indica que
ción del 50% del b por cualquier el transistor está operando cerca de
causa, lo que lo lleva a un valor β’ = la zona de saturación. Recordemos
300, nos preguntamos, ¿variará mu- que esta zona tiene su límite para
cho la corriente de colector? Para una Vce ≅ 1V.
aplacar dudas, calculemos el nuevo
Para otras aplicaciones resulta
Fig. 9
necesario graduar la ganancia de
la etapa a voluntad (ganancia de
tensión) y además que el circuito
sea térmicamente estable; para ello
suele utilizarse una realimentación
de corriente en el circuito de polarización, por medio de la colocación
de un resistor en el emisor del transistor. En el circuito así constituido cualquier aumento en la corriente de
colector por alguna causa, desarrollará una tensión sobre el resistor de
emisor tal que, si la tensión de base
permanece constante, polariza en
forma inversa la juntura Base-Emisor
que compensará la variación de la
corriente de colector.
Fig. 10
Fig. 11
89
Las Ondas Electromagnéticas
sión VB se calcula como la tensión Fig. 14
que cae entre base y masa del transistor cuando éste ha sido desconectado; esta tensión es la que cae
sobre R2 y es la VB, fórmula (2).
En tanto la resistencia de Thevenin RB la calculamos con el transistor
desconectado y cortocircuitando la
fuente de alimentación (II). Observe
el circuito de la figura recién vista,
donde al cortocircuitar la fuente de ra impedir pérdidas de ganancia. En
continua (Vcc) R1 y R2 quedan co- síntesis, el agregado de Re tiende a
Fig. 13
nectados en paralelo.
estabilizar la corriente de colector.
Dado que generalmente Re »
R1 . R2
Rb/b,
si varía el b, Ic se mantiene
RB = ————
(3)
constante, entonces hay mayor esR1 + R2
tabilidad (figura 14). De la misma forEn la figura 13 vemos qué ocurre ma que hemos procedido anteriorsi reemplazamos VB y RB en el circui- mente, podemos calcular la tensión
to de la figura 11. Lo hecho no es Colector-Emisor aplicando Kirchhoff
más que una aplicación del teore- en el circuito de salida.
ma de Thevenin para simplificar el
Vcc = VRc + Vce + VRe
La polarización “fija” de la base cálculo de la corriente de colector.
Vcc = Ic . Rc + Vce + Ic . Re
Aplicando Kirchhoff en el circuito
se consigue por medio de un divisor
Vcc = Ic (Rc + Re) + Vce
de la figura, se tiene:
resistivo.
Vce = Vcc - Ic (RC + Re)
Veamos lo siguiente, la polarizaVB = VRB + Vbe + VRe
ción de la base es Vcc . R2/(R1 + R2)
En síntesis, el agregado de Re
o sea no depende de ningún paráVB = Ib . Rb + Vbe + Ie . Re
proporciona una estabilidad adiciometro del transistor. Un aumento de
Como Ic ≈ Ie
nal al circuito ya que permite sensar
Ic aumenta VRe que es la caída sola corriente de emisor.
bre Re (ver figura 11). Para calcular
VB = Ib . RB + Vbe + Ic . Re
Se conecta un capacitor en pala corriente de colector es necesario
ralelo para que la corriente alterna
Ic
conocer el valor de la tensión de la
También
Ib = ———
se derive a masa por él sin producir
base respecto de masa y la resistenβ
caída de tensión alterna sobre Re, lo
cia que “ve” la base.
que disminuiría la ganancia.
El cálculo se facilita si consideraIc
VB = —— . RB + Vbe + Ic . Re
Existen otras polarizaciones para
mos que I1 es mucho mayor que Ib.
β
la configuración emisor común pero
Dibujando la batería del otro laRB
todas ellas buscan mayor ganancia
do se comprenderá mejor el circuito
VB = Ic . ( —— + Re) + Vbe
de tensión y aumento en la estabilide entrada (figura 12) :
β
dad del circuito que son los factores
Vcc
determinantes para la elección del
Despejando:
I1 = —————
circuito adoptado para cada caso.
R1 + R2
VB - Vbe
Ic = ——————
VB = I1 . R2
RB
EL AMPLIFICADOR COLECTOR CO M N
Reemplazando:
——— + Re
β
Vcc
En este circuito la señal de entraVB = ———— . R2
(2)
da
se aplica entre colector y base
Donde:
R1 + R2
VB y RB se calculan por medio de que, como sabemos, es una juntura
polarizada en inversa para que el
El desarrollo que estamos hacien- las fórmulas (2) y (3).
do es una aplicación del teorema de
Vbe = 0,2V para el germanio y transistor trabaje correctamente: de
esta manera se logra que la impeThevenin que dice que cualquier cir- 0,7V para el silicio.
cuito puede ser reemplazado por un
β ganancia de corriente en emi- dancia de entrada de un transistor
en esta configuración sea muy alta
generador de tensión en serie con sor común dado por el fabricante.
una resistencia. Aplicando este teoPara que la señal alterna no de- (resistencia elevada), mientras que
rema al circuito que está conectado sarrolle una tensión sobre el resistor la salida se toma entre colector y
entre base y masa del transistor, tene- Re, se coloca un capacitor de desa- emisor, siendo la impedancia de samos que R2 está conectada a la ba- cople entre emisor y masa. De esta lida bastante baja.
Esta etapa posee una ganancia
se junto con R1 y Vcc.
forma el capacitor en paralelo con
Ahora bien, el generador de ten- Re deriva la señal de CA a masa pa- de potencia bastante baja compa-
Fig. 12
90
Capítulo 6
Fig. 15
rada con la que se puede obtener
en una etapa emisor común.
La tensión de salida es siempre
menor que la tensión de entrada:
por lo tanto, la ganancia de tensión
es menor que la unidad. Este circuito se utiliza como elemento adaptador de impedancias (figura 15).
Acomodamos el circuito para
poder verlo como comúnmente se
utiliza (figura 16). Si aumenta la señal
de entrada, aumenta la corriente
de emisor y por lo tanto la señal sobre la RC con lo cual, como ocurre
en la configuración base común,
aquí no hay inversión de fase.
RECTA EST TICA DE CARGA
Los transistores pueden ubicar su
funcionamiento en una zona de trabajo donde su respuesta es lineal,
una zona denominada “ZONA DE
CORTE” y una tercera zona que determina la “SATURACION” del transistor. Se debe establecer un punto de
funcionamiento del transistor dentro
de su región activa (zona lineal) con
el objeto de obtener a la salida del
amplificador una señal réplica de la
de entrada pero de mayor amplitud. El punto de reposo del transistor,
que hemos aprendido a calcular
para las distintas polarizaciones, se
debe hallar sin aplicar señal externa
y se lo llama punto “Q” de funcionamiento, punto de reposo o simplemente punto de trabajo.
Ubicando este punto Q sobre las
curvas características de salida del
transistor y aplicando métodos gráficos se puede predecir el comportamiento del amplificador cuando se
le aplica una señal a la entrada. Si la
señal de salida no es fiel a la ingresante, lo más probable es que no se
haya elegido correctamente el punto de reposo.
Al polarizar un transistor se debe
Fig. 16
elegir los componentes asoFig. 17
ciados (resistores, alimentación, etc.) con sumo cuidado,
ya que el punto Q no debe
quedar en cualquier parte de
la zona activa del transistor. Se
debe tener en cuenta las especificaciones dadas por el
fabricante, tales como Potencia Máxima de Disipación (Pc
max), Tensión Máxima de Colector (Vc max), Corriente Máxima de Colector (Ic max),
Factor β de Amplificación, etc
(figura 17).
Para pequeñas señales, si
el transistor está bien polarizado se puede asegurar que la tensión base, previa ubicación del punto de
de salida no será distorsionada, “pe- reposo del transistor, partiendo de la
ro no es la misma la tensión de co- denominada RECTA ESTATICA DE
lector que la señal de salida”, ya CARGA del transistor (figura 19). Para
que esta última no debe poseer ge- trazar esta recta sobre la familia de
neralmente una componente de curvas, se obtiene la ecuación de la
continua, razón por la cual se colo- malla de salida del circuito. Por
can capacitores de desacople a la ejemplo, en el circuito de un transissalida del circuito (y también a la tor en emisor común con polarizaentrada) lo que obliga a analizar el ción por divisor resistivo se tiene que:
circuito sin componente continua y
con componente continua (figura
Vcc = Vce + Ic (Rc + Re)
(4)
18). En este circuito, la tensión de
continua del colector del transistor
En esta ecuación, Vcc, Rc y Re
no aparece sobre la resistencia de son valores conocidos mientras que
carga RL a causa del bloqueo im- Vce e Ic son variables.
puesto por Cb2 pero la señal sobre
En geometría se estudia que la
RL es una réplica amplificada de la ecuación (4) representa una recta y
señal de entrada.
para trazarla hace falta conocer
Los valores de los capacitores dos puntos de dicha recta. Los pundeben ser tales que a la frecuencia tos elegidos serán:
mínima de trabajo no ofrezcan resistencia apreciable al paso de la sea) para Vce = 0 debemos calcuñal. Para la ubicación del punto de lar el valor de Ic. De la fórmula (4):
trabajo se recurre generalmente a métodos gráficos, se usan
Fig. 18
las curvas de salida del transistor en la configuración en que
se esté utilizando el dispositivo.
Si se conocen los elementos asociados a la salida del
transistor pueden calcularse los
resistores de polarización de
91
Las Ondas Electromagnéticas
Vcc = 0 + Ic (Rc + Re)
despejando:
Vcc
Ic = —————
(Rc + Re)
b) Cuando Ic = 0, de la fórmula (4):
Vcc = Vce + 0 (Rc + Re)
Vcc = Vce
Es decir, los dos puntos elegidos
para trazar la recta serán:
Vcc
a) (Ic; Vce) ⇒ ( ——— ; 0)
(Rc + Re)
b) (Ic; Vce) ⇒ (0; Vcc)
derarla como un capacitor cargado cuencia, donde el capacitor puede
de alta capacidad). De esta mane- que no se comporte como un cortora el emisor estará conectado a ma- circuito. Para calcular el valor del
sa y Rc estará en paralelo con la
Fig. 19
carga RL. Para analizar el comportamiento del circuito para señales alternas gráficamente es
necesario construir una RECTA
DINAMICA DE CARGA que contemple el paralelo entre Rc y RL y
ahora RE = 0 a causa de la muy
baja impedancia que pasa a tener CE.
Para trazar la Recta Dinámica de Carga se tiene en cuenta
el punto de reposo del transistor
ya que sin señal se ubicará sobre
dicho punto. La técnica consiste
en trazar una recta que pase por
el punto Q con pendiente 1/Rd,
Fig. 20
siendo Rd el paralelo entre Rc y
RL (figura 22).
Si ubicamos estos puntos sobre
las curvas de salida del transistor y
trazamos una recta que pase por
ellos, encontraremos la recta estática de carga del circuito (figura 20).
Rc . RL
Esta recta es útil porque no imRd
=
————
porta que varíe la corriente de base
Rc + RL
como consecuencia de la aplicación de una señal, los valores de Ic y
Vce se ubicarán sobre dicha recta.
C LCULO DE LOS
Además, conociendo los valores
CAPACITORES DE PASO
máximos de la señal a aplicar y trasladándolos al gráfico se podrá calHemos dicho que tanto los
cular cuáles son los valores correscapacitores
de acoplamiento
pondientes de la corriente de colecde
entrada
y
salida,
como el cator.
pacitor de desacople de emisor,
se deben comportar como un
cortocircuito para la señal de
RECTA DIN MICA DE CARGA
trabajo. La forma de cálculo de
estos capacitores está íntimaSe ha visto que por métodos grámente ligada con la impedancia
ficos se pueden predecir los distintos
del circuito “que ven estos elevalores de Ic y Vce que puede tomar
mentos” ya que el efecto resistiun transistor polarizado cuando se le
vo debe ser mucho menor que
aplica una señal de entrada, pero en
dicha impedancia para todas
el razonamiento no se ha tenido en
las señales que se desean amplicuenta la carga que se le aplica al
ficar.
circuito a través de un capacitor.
La reactancia de un capaciLa Recta Estática de Carga es
tor se calcula como:
muy útil para analizar el funcionamiento del circuito sin que a éste se le
L
Xc = —————
aplique señal, es decir, donde se ubi2π.f.C
caría el punto de reposo si hubiese alFig. 21
gún corrimiento de algún parámetro
De aquí se deduce
a causa de determinados factores, que, en la medida que aucomo por ejemplo la temperatura. menta la frecuencia de la
Analicemos el circuito de la figura señal tratada, menor será
21. Cuando se aplica una señal de el efecto de oposición del
corriente alterna, C2 es un corto cir- capacitor al paso de las
cuito; lo mismo ocurre con el capa- señales. Por lo tanto, el
citor de desacople de emisor CE y la peor caso se presenta con
fuente de alimentación (por consi- las señales de menor fre-
92
Fig. 22
Capítulo 6
Fig. 23
capacitor necesario, éste debe tener una “resistencia” (en realidad
reactancia) 10 veces menor que el
valor de la impedancia que él verá
a la mínima frecuencia de trabajo
del amplificador. Por ejemplo, si la
impedancia de entrada de un amplificador es de 5.000Ω, el capacitor
de paso de entrada no debe presentar una reactancia superior a
500Ω para la frecuencia mínima de
operación.
Para explicar esto mejor con un
ejemplo, podemos calcular el valor
del capacitor de desacople de una
resistencia de emisor de 100Ω si la
mínima frecuencia de operación
del transistor será de 20Hz.
Sabemos que:
1
Xc = —————
2π.f.C
y que:
Re
Xc = —————
10
luego:
Re
1
—— = ——————
10
2π.f.C
despejando:
10
Ce = ——————
2 . π . f . Re
Si queremos dar el valor del capacitor en µF multiplicamos el segundo término por 106, luego:
107
Ce [µF] = ——————
2 . π . f . Re
Reemplazando valores:
107
Ce [µF] = ——————— =
6,28 . 20Hz . 100Ω
107
Ce [ F] = ————— = 796 F
12,56 . 103
En general el valor de Re es mayor, al igual que la frecuencia míni-
ma de operación, con lo cual el valor Ce disminuye bastante. Valores
normales están comprendidos entre
50µF y 220µF.
Del mismo modo se pueden calcular los capacitores de paso (CB1 y
CB2) obteniéndose valores normales
que oscilan entre 10µF y 100µF.
Acoplamientos Interetapas
Para conectar el transductor de
entrada al amplificador, o la carga u
otra etapa es necesario un medio
de acoplamiento que permita
adaptar impedancias para que exista máxima transferencia de energía.
Los acoplamientos interetapas más
utilizados son:
a) Acoplamiento RC
b) Acoplamiento a transformador
c) Acoplamiento directo
Fig. 24
un ejemplo en la figura 24. Con transistores NPN la base es menos positiva que el colector; por lo tanto, el
capacitor electrolítico se conecta
con el positivo del lado del colector
de la primera etapa. Generalmente
se utiliza un acoplamiento con resistor y capacitor en etapas amplificadoras de audio de bajo nivel.
b) Acoplamiento
por Transformador
El acoplamiento a transformador
se utiliza con el fin de obtener máxima ganancia de potencia; para ello
deben adaptarse las impedancias
de entrada y de salida del transistor.
En la figura 25 vemos un circuito
acoplado a transformador:
Se emplea un transformador reductor T1 para acoplar la entrada
del transistor con lo cual, si bien hay
una disminución de la tensión aplicada (por ser un transformador reductor), hay un mayor suministro de
potencia ya que, por el teorema de
máxima transferencia de potencia,
se logrará transferir máxima energía
cuando las partes están perfectamente adaptadas (igual impedancia). Para adaptar la salida también
usamos un transformador reductor
ya que el parlante posee baja impedancia, en contraposición con la alta impedancia del colector del transistor. Este T2 adapta las impedancias de colector y parlante, así permite que la potencia entregada al
a) Acoplamiento RC:
Este tipo de acoplamiento es
muy utilizado aunque con él no se
produce una perfecta adaptación
de impedancias y por lo tanto, no
habrá máxima transferencia de
energía. Separa totalmente la señal
de los circuitos de polarización (figura 23). El resistor R1 puede ser el resistor de carga (o polarización) de la
primera etapa mientras que R2 puede ser el resistor de polarización de
base, si la segunda etapa es un transistor. El capacitor C deja pasar las
señales alternas provenientes de la
primera etapa y evita que la tensión
de polarización quede aplicada en
la entrada de la segunda etapa. La
capacidad del capacitor C tiene
que ser la adecuada a las frecuencias de las señales que se desean
amplificar; por ejemplo, para acoplar etapas de audio su valor debe
ser elevado (algunos microfarad)
para que su reactancia sea pequeña a la menor frecuencia que se desea amplificar. Una capacidad pe- Fig. 25
queña ofrecería una reactancia elevada al paso de las bajas frecuencias, por lo que éstas quedarían atenuadas. Si se desea acoplar etapas
amplificadoras con transistores usando capacitores electrolíticos, la posición del capacitor dependerá de la
polaridad de los transistores. Veamos
93
Las Ondas Electromagnéticas
Fig. 26
parlante sea máxima. En este circuito se tiene una polarización por divisor de tensión, donde R1 y R2 dan la
polarización adecuada a la base, y
Re da la estabilización necesaria
para evitar problemas por cambios
en los parámetros del transistor; C1
se coloca para evitar que la señal se
atenue sobre R1, y C2 para impedir
que la señal se desarrolle sobre Re,
así el rendimiento del circuito aumenta. En síntesis, un acoplamiento
a transformador permite adaptar
impedancias y aísla niveles de continua, pero posee la desventaja fundamental de que sus características
varían con la frecuencia, razón por
la cual suele distorsionar (aunque
muy poco) a todas aquellas señales
que no están compuestas por una sola
frecuencia. Además,
es pesado y de gran
tamaño; si se quiere
disminuir las pérdidas,
el costo aumenta
considerablemente.
c) Acoplamiento
Directo
Este tipo de acoplamiento consiste en unir dos etapas por medio
de un cable. En principio, este método es ideal porque resulta económico y no sufre las atenuaciones que
introduce todo capacitor en bajas
frecuencias. En sistemas amplificadores, el método consiste en conectar el colector de un transistor con la
base del siguiente (figura 26). El principal problema de este circuito radica en que los niveles de continua
del colector de un transistor y de la
base del transistor siguiente son
iguales, razón por la cual la tensión
de colector de los transistores es bajísima limitando así su funcionamiento. Para solucionar este problema se
puede polarizar el primer transistor
en configuración colector común, lo
que significa que la señal ingresa
por la base y sale por el emisor. Para
ello se conecta el emisor de la primera etapa a la base de la etapa siguiente.
Podemos conectar dos etapas
amplificadoras en emisor común a
través de un resistor, considerando
este acoplamiento como directo;
permite trabajar con distintos niveles
de continua entre colector del primer transistor y base del segundo,
pero presenta el inconveniente de
disminuir el rendimiento.
Las ventajas del acoplamiento
directo son aprovechadas en la mayoría de los equipos de audio, ya
sea en aquellos que utilizan circuitos
integrados o en circuitos de excelente diseño. En la actualidad son
muy pocos los equipos de buenas
características que no utilizan este
acoplamiento. Otra forma de acoplamiento muy difundido en la actualidad es el “Acoplamiento complementario” que se basa en el uso
de un transistor NPN y otro PNP, tema
del que nos ocuparemos más adelante.
Fundamentos Físicos de la Reproducción del Sonido
E
l dispositivo universal que se utiliza para la reproducción del sonido, son los parlantes, que son
elementos terminales que convierten en ondas sonoras las señales resultantes de los procesos electrónicos previos. Para entender el principio de operación de los parlantes,
primero se requiere definir qué son
estos elementos y qué es el sonido.
El parlante es un transductor
capaz de transformar una se al de
corriente el ctrica en una onda de
sonido audible . Por su parte, el sonido es un fenómeno físico que estimula el sentido del oído mediante
cambios en la presión del aire. En
los seres humanos, esto ocurre siempre que una vibración con frecuencia comprendida entre los 20 y
los 20,000Hz llega al oído interno.
Para llegar al oído interno, las vibraciones viajan por el aire. A veces, el término sonido se emplea
94
únicamente para las vibraciones
que se transmiten de este modo; sin
embargo, los físicos modernos también suelen utilizarlo para designar a
las vibraciones similares que se desplazan a través de medios líquidos o
sólidos. A las ondas que se encuentran por debajo del límite audible
de 20Hz se les conoce como infras nicas , mientras que los sonidos
con frecuencias superiores a
20,000Hz se denominan ultrasonidos .
PROPAGACI N DE LAS
VIBRACIONES U ONDAS
En general, las vibraciones u ondas del sonido se propagan de forma transversal o longitudinal. En
ambos casos, la energía y el ritmo
del movimiento ondulatorio sólo se
propagan a través del medio en
cuestión; es decir, ninguna parte de
éste se desplaza físicamente en la
dirección de propagación para
permitir el viaje de la onda. Por
ejemplo, si atamos una cuerda a un
punto fijo (un poste), la estiramos sin
aplicar demasiada fuerza y la sacudimos, una onda se desplazará del
extremo que estamos sujetando
hasta su otro extremo; al llegar al
punto fijo, la onda se reflejará y viajará de regreso hasta nuestra mano.
Este tipo de movimiento ondulatorio se denomina “onda transversal”. Del mismo modo, si tiramos una
piedra a un estanque, una serie de
ondas transversales se propagará
desde el punto de impacto.
Entonces, cualquier objeto que
flote cerca de este punto se moverá hacia arriba y hacia abajo, de
acuerdo con la dirección y fuerza
del movimiento ondulatorio; pero
apenas mostrará movimiento longi-
Capítulo 6
Fig. 1
las moléculas permanecen
más o menos en la misma
posición (figura 2).
Caracter sticas F sicas
Una nota musical, por
ejemplo, puede ser definida
en su totalidad, mediante
tudinal, o sea un desplazamiento (fi- tres características con que se percigura 1).
be: el tono, la intensidad y el timbre.
Estos atributos corresponden exactamente a tres características físicas:
LA ONDA DE SONIDO
la frecuencia, la amplitud y la composici n arm nica o forma de onda.
Una onda de sonido es una onda longitudinal. A medida que la
Frecuencia o tono
energía del movimiento ondulatorio
Por frecuencia del sonido se ense propaga alejándose del centro tiende el número de ciclos de una
de la perturbación, las moléculas de onda por segundo. Conforme maaire individuales que transportan al yor sea la frecuencia de una onda,
sonido se mueven hacia delante y más agudo se escuchará el sonido;
hacia atrás, de forma paralela a la y al contrario, conforme menor sea
dirección de dicho movimiento.
la frecuencia de la misma, más graSi un cuerpo se desplaza ligera- ve se escuchará el sonido. Un fenómente hacia adelante, momentá- meno interesante es el que se proneamente el aire frente a él se com- duce cuando se tocan dos instruprime, pero de forma instantánea mentos distintos en la misma nota.
trata de recuperar su densidad nor- Ambos sonidos pueden tener la mismal; por lo que la compresión co- ma frecuencia, pero no necesariamienza a viajar en la misma direc- mente se percibirán igual; la diferención del movimiento inicial, pero cia radica en el timbre característicon la distancia se va diluyendo po- co de cada instrumento..
co a poco. Exactamente esto sucede cuando el mismo cuerpo retroAmplitud
cede a su sitio original, pero ahora
La amplitud de una onda de sogenerando una pequeña porción nido es el grado de movimiento de
de baja densidad, que viaja con las las moléculas de aire que la transmismas características de la anterior. portan. Dicho movimiento corresCombinando ambos efectos, ponde a la intensidad de expansión
cuando un objeto está vibrando rá- y compresión de la propia onda.
pidamente, frente a él se genera Cuanto mayor es la amplitud de la
una serie de zonas donde la densi- onda, más intensamente golpea ésdad del aire varía dependiendo del ta a las moléculas del tímpano y
grado de desplazamiento original más fuerte es el sonido percibido. La
del cuerpo, formando una serie de amplitud de una onda de sonido
ondas que se van alejando del pun- puede expresarse en unidades abto de origen. Estas sucesivas zonas solutas, mediante la medición de la
de aire comprimido y enrarecido distancia de desplazamiento de las
son captadas por el tímpano, el cual moléculas del aire, la medición de la
reproduce en escala pequeña los diferencia de presiones entre la
desplazamientos originales del cuer- compresión y la expanpo vibrante, y transmite al oído inter- sión, o la medición de
Fig. 2
no esta información, donde el cere- la energía transportabro lo interpreta como sonido. Quie- da. Para expresar la inre decir que una onda de sonido es tensidad de los soniuna serie de compresiones y rare- dos, éstos se compafacciones sucesivas del aire. Cada ran con un sonido pamolécula transmite la energía a la trón; en tal caso, la inmolécula que le sigue; una vez que tensidad se expresa en
la onda de sonido termina de pasar, decibeles (dB).
Intensidad
La distancia a la que se puede
escuchar un sonido, depende de la
intensidad de éste; la intensidad es
el flujo promedio de energía que
atraviesa cada unidad de área perpendicular a la dirección de propagación. En el caso de ondas esféricas que se propagan desde una
fuente puntual, la intensidad medida en un punto es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia; esto, suponiendo que no se produzca ninguna pérdida de energía
debido a la viscosidad, la conducción térmica u otros efectos de absorción.
En la propagación real del sonido en la atmósfera, los cambios físicos que el aire experimenta dan lugar a la amortiguación y dispersión
de las ondas sonoras.
Timbre
Vamos a suponer que tenemos
un violín, un piano y un diapasón, y
que con la misma intensidad se toca
en los tres una nota L a -situada sobre el D o central. Los sonidos resultantes serán idénticos en frecuencia
y amplitud, pero muy diferentes en
timbre. De las tres fuentes, el diapasón es el que produce el tono más
sencillo, conformado casi exclusivamente por vibraciones de tipo senoidal con frecuencias de 440 Hz.
Debido a las propiedades acústicas del oído y a las propiedades de
resonancia de su membrana vibrante, es dudoso que un tono llegue en
estado puro al mecanismo interno
del oído. La componente principal
de la nota producida por el piano o
el violín también tiene una frecuencia de 440 Hz; sin embargo, ambas
notas contienen a su vez componentes cuyas frecuencias son múltiplos exactos de 440 Hz: los llamadas
frecuencias arm nicas . Las intensidades y el defasamiento que exis-
95
Las Ondas Electromagnéticas
ten entre esas otras componentes, ble muy ligero, sumergida dendeterminan el timbre de la nota.
tro del campo magnético de un
potente imán permanente o de
un electroimán (figura 3).
VELOCIDAD DEL SONIDO
Una corriente eléctrica variable, procedente de los circuiLa frecuencia de una onda de tos electrónicos de algún amplisonido, es una medida del número ficador, atraviesa la bobina y
de vibraciones por segundo de un modifica la fuerza magnética
punto determinado; a la distancia entre ésta y el campo magnétientre dos crestas (cimas) adyacen- co del parlante. Al producirse
tes de la onda, se le denomina lon- cambios de corriente, la bobina
gitud de onda . Al multiplicar el valor vibra y entonces hace que un
de la longitud de onda por el de la diafragma o un gran cono vifrecuencia, se obtiene la velocidad brante (unido mecánicamente
de propagación de la onda. Esta a ella) se mueva para generar
velocidad es igual para todos los so- en el aire ondas sonoras; a su
nidos sin importar su frecuencia, vez, este movimiento impulsa a
siempre y cuando se propaguen a las moléculas de aire en la fortravés del mismo medio y a la misma ma del sonido que se desea retemperatura. Por ejemplo, mientras producir.
la longitud de onda de la nota “La”
situada sobre el “Do” central es de
Tipos de Parlantes
unos 78,20 cm, la de la nota “La” situada abajo del mismo es de 156,40
Para aumentar la potencia y la
cm. En aire seco y a una temperatura de 0° C, la velocidad de propa- calidad del sonido, pueden utilizarse
gación del sonido es de 331,6 m/s. Al conjuntos especiales de parlantes
aumentar la temperatura, aumenta de diferente tamaño: los pequeños
la velocidad del sonido; por ejem- son para notas agudas y los grandes
plo, a 20° C la velocidad es de 344 para notas graves.
La forma o diseño de los parlanm/s. Por lo general, el sonido viaja
más rápido a través de líquidos y de tes, es también factor que incide en
sólidos que a través de gases. Tanto la calidad del sonido que se reproen los líquidos como en los sólidos, la duce. Existen básicamente tres tipos:
densidad tiene el mismo efecto que circulares, cuadrados y elípticos (figura 4). Los primeras ofrecen una
en los gases.
muy buena reproducción de sonido;
los cuadrados, sólo una regular o
buena reproducción; los elípticos
REPRODUCCI N DEL SONIDO
son las mejores, pues permiten una
Para la reproFig. 4
ducción del sonido
se emplean parlantes. Existen diferentes tipos, pero
la mayoría de los
actuales son dinámicos. Estos altavoces
incluyen
una bobina de ca-
Fig. 3
excelente reproducción. La razón,
es que el uso de los parlantes elípticos equivale a tener un parlante circular pequeño para tonos medios y
otro circular grande para tonos bajos.
En todo sistema reproductor de
audio, siempre será necesario instalar dos o más tipos de altavoces. La
fidelidad del sonido mejora cuando
para cada frecuencia y amplitud de
la señal de audio se usa un tipo diferente de parlante; es decir, para tener un buen sistema de sonido se requieren reproductores de agudos
(llamados tweeters), parlantes que
reproduzcan los medios (midrange)
y los graves (conocidos como woofers). Obviamente, el tema es amplio, por lo que lo analizaremos más
adelante. ******************